获知天气实况
是一件既简单又复杂的事
观测站网不可能无限制地织密
但对实况数据的需求却需要准确把控每一处细节
发挥多来源观测数据的优势
通过融合分析
得出尽可能逼近大气真实状况的结果
成为最有效的路径
进入新世纪以来，国家气象信息中心加强业务体制改革，着力于对气象数据的深度加工，从无到有，从粗到精，截至2021年，基本建成覆盖全球、中国和局地，包含大气、陆面、海洋等多圈层多要素的实况业务体系。 发展历程篇 从“看山是山”到“看山还是山” 气象数据的收集、处理、管理与服务，是国家气象信息中心的基本职责。海量的历史气象数据，再加上每天实时收集的新增数据，毫无疑问是一座“宝山”。但未经深度加工的数据，观测格式各异、质量参差不齐，虽然“看上去很壮”，但对气象事业发展，特别是对智能网格预报和智慧气象服务的支持着实有限，一度被认为是“瓶颈”。 既然“看山是山”作用有限，那么就必须要有突破，必须要将犹如一团乱麻的观测数据解构，利用先进技术进行融合分析、同化分析和智能分析，得到时空连续、变量协调、质量可靠的实况产品。虽然“看山还是山”，但却已经重构为能真正为预报与服务提供“零时刻”支撑的数据“金山银山”。 01 跨越 实现这种跨越，犹如挟山超海，实属不易。 实况业务涉及到综合观测布局、资料传输速度、信息识别能力、数据融合能力、计算分析能力、共享智能水平等各个方面，涉及一系列科学和技术问题需要解决。国家气象信息中心首席专家师春香表示，实况业务不是飞来之石，背后却是十余年的艰辛探索与发展。 2007年 对标国际先进水平，国家气象信息中心引进最优插值算法，从多源降水融合开始技术及业务积累。 2010年 组建多源数据融合创新团队，一批年轻技术骨干挑起重担，多源融合实况分析开启跨越之旅。 2013年 我国第一个业务化运行的陆面数据同化业务系统（CLDAS）上线，首次实现区域加密观测数据、风云二号卫星降水与地面太阳辐射定量反演产品在陆面数值模式中的实时同化，产出的实况分析产品提供业务科研应用。 2014年 国家气象科技创新工程的实施，为多源融合实况分析吹来了新的东风。实况分析在陆面要素基础上，扩展到海表要素、三维云与三维大气要素，“海陆空”耦合发展的实况分析业务全速推进。 2018年 智能网格预报业务正式起航。多源数据融合实况分析通过一系列技术革新、时效优化和评估检验，解决了智能网格预报缺乏实况产品的燃眉之急，成为预报业务的坚实地基。自此，被升格为“实况业务”。 如今 中国气象局实况业务体系基本建成，网格实况产品覆盖全球、中国和局地区域，包括大气、陆面、海洋等多圈层多要素，产品最快延后5分钟，最高时间分辨率达到10分钟，最高空间分辨率达到100米。 当初的业务“瓶颈”，已经成长为从“零时刻”到日、月、季、年无缝隙智能网格预报业务的重要组成部分。 02 成长 “边研究、边转化、边应用。” 这是实况业务技术团队的策略，也是技术团队自身快速成长的秘诀。 作为研究型气象业务的典型案例，基于业务问题开展研究，迅速转化用于实践，应用又带来新的问题。这样的良性循环，在建起蔚为大观的实况产品“矩阵”同时，更锻炼出一支善于攻坚、敢于创新的技术团队。 在这支队伍中，12人获评正高级职称、两人入选中国气象局领军人才、3人入选首席气象专家、6人入选青年气象英才，1人获得国务院政府特殊津贴。 他们追求自主创新、稳扎稳打，把每一步路都走得踏踏实实。2014年，团队发力升级降水实况，在原有地面、卫星数据源基础上加入雷达数据，实现产品分辨率和同步提升。与此同时，为了避免美国卫星数据产品“断供”，团队还自主研发了东亚多卫星集成产品，确保降水实况数据源自主可控。 他们坚持面向核心业务需求，攻坚克难。根据核心业务迫切需求，团队比原定计划提前两年建成高分辨率陆面同化数据系统。温、压、湿、风等要素驱动场陆续在智能网格预报实况分析中大放异彩。国家气象中心天气预报技术研发室主任代刊表示 ，“实况产品进一步提升了网格预报的精细化程度和准确率。” 他们始终开放包容，在合作中谋发展。团队不仅建立海外智库，广泛开展技术交流，而且还接收来自全国18个省区市共计40人次的访问学者，大部分人员经过锻炼，已成为省级实况产品研发骨干。这种技术辐射，有效促进了省级实况业务队伍建设。 03 协调 人人为我，我为人人。实况业务既然是气象事业这个长长链条上的一环，其发展就注定不曾孤立。一方面，它始终在统筹协调中茁壮成长；另一方面，它也在推动基础数据质量提升，推动卫星、雷达数据创新应用方面，作出重大贡献。 质量、时效和稳定性是实况的命脉，气象实况涉及资料收集、预处理、质量控制、偏差订正、融合分析、检验评估、数据存储、产品服务、运行监控等多个环节，每一个环节都不容有误。 依托大数据云平台，国家气象信息中心建立了实况产品自动化生产线，并基于“天镜”实现从硬件资源、数据资源、算法运行到产品生成、产品管理、产品分发的全流程精细化监控，保障实况产品高效生产。 能够稳定产出，还需高效应用。国家气象信息中心为实况产品应用建立了多种多样的服务手段，无论是利用API接入系统，还是通过移动小程序实时查询，抑或使用可视化工具制作更加多样化的产品，面向不同需求的用户，实况产品总能找到恰当的服务模式。 从实况业务受益的，不仅是下游的预报服务，它还能反作用于上游的观测环节。观测设备数以万计，设备损坏并不罕见，传输错误也偶有发生，但调试不当等原因带来的数据错误，则以更为隐蔽的形式“污染”着数据。 而实况分析，站在总揽全局的角度，为这一问题提供了解决方案。与“滥竽充数”的南郭先生恰好相反，在本地不容易暴露的数据错误，一旦进入多源融合分析环节，就会瞬间“露馅”。当某一项观测数据与分析结果偏差较大时，就可以排查出源头上的数据问题，从而帮助观测系统改善数据质量。 此外，多源融合分析这一方式，也提升了卫星、雷达观测数据的利用率。深入挖掘这些实时观测数据，与常规观测数据融合，能够有效提升实况产品的时空分辨率，让部分“沉睡”的数据大放异彩。 产品体系篇 打造海陆空耦合实况业务体系 什么样的实况产品，才能满足智能预报、智慧服务的需求？ 看世界 世界百年未有之大变局加速演进，面临以气候变化为代表的全球挑战，推动人类命运共同体构建成为必然要求。全球监测、全球预报、全球服务，需要全球范围的优质实况产品。 看中国 随着人民生活水平的不断提高，对气象服务提出的要求也越来越高。各行各业，都希望得到更加精准的预报，更为精细的服务。在我国范围内，我们需要精准的实况产品。 看时事 十四运会圣火熄灭不久，冬奥圣火又将燃起。在“两个一百年”奋斗目标的交汇点上，不断举办的重大活动，呼唤精益求精的气象服务。在重点局地，我们需要“武装到牙齿”的实况产品。 看科学 大气与陆地、海洋紧紧相连，彼此影响，物质和能量在其间循环转化，共同参与构成天气、影响天气的复杂过程。还原这一过程，我们需要充分考虑各圈层相互作用的实况产品面向这样的需求，全球10公里、中国区域1公里、局地百米分辨率层层递进，大气、陆面、海洋产品相互耦合的气象实况业务体系应运而生。 一方面，全球实况为区域高分辨率实况、区域实况为局地更高分辨率实况生产提供高质量背景场与驱动场；另一方面，大气、陆面、海洋相关要素紧紧耦合在一起，互为支撑，迭代发展，更好地还原了天气系统的真实样貌。 目前，“全球-区域-局地”一体化大气、陆面、海洋多圈层实况业务每天实时产出140余种网格化产品，有效支撑智能网格预报业务发展，成为从“零时刻”到日、月、季、年无缝隙预报业务的重要组成部分，全球大气实况产品可以提供覆盖完整、变量丰富、高质量、高时空分辨率的实时大气状态，为高影响天气系统的监视分析提供数据支撑，质量总体与国际同类产品相当，时效明显优于网络下载国外产品，已实现对国外同类产品的有效替代。 中国区域，1公里实况产品精准刻画天气，为准确预报提供更优质的数据支撑，对捕捉以强对流天气为代表的小尺度灾害性天气动向意义重大，使公路交通气象预报、山洪地质灾害预警、基于位置天气实况查询等更加精准、更加可靠。 最为精准的局地实况，则为重大活动气象保障提供了最先进的数据武器。集成气象业务核心技术，再加上研发的百米分辨率雷达定量降水估测新技术和风云四号A星地面2米气温反演深度学习新技术，将实况数据的时空分辨率推至100米/10分钟的高水平。 全球实况——俯瞰全球 保障数据供给 分辨率：10公里、6小时 内容：大气、陆面、海洋 特点：降低对国外产品和技术的依赖，保障我国气象业务输入源头安全可控 全球气温实况 2021年11月，全球大气和全球表面实况产品通过业务准入评审。至此，10公里全球实况形成自主业务能力，为“全球监测、全球预报、全球服务”提供支撑。 全球大气实况产品包含全球10公里、6小时分辨率的三维温度、湿度、风、位势高度等204个物理变量，质量总体与国际同类产品相当，可以实现对国外同类产品的有效替代，保障我国气象业务输入源头的安全可控。 全球表面实况产品包括全球10公里、3小时分辨率的两米高度气温、湿度，以及10米高度风场等地球表面要素，其中两米气温和两米比湿较欧洲中心（ECMWF）最新的ERA5-Land同类产品误差小15%以上。国家气象中心全球客观天气预报业务评估表明，应用效果显著优于之前基于ECMWF短时预报产品拼接的近似实况场，为全球智能网格预报业务提供了有力的实况数据支撑。 区域实况——把脉中国，支撑防灾减灾 分辨率：1公里、1小时 内容：大气、陆面、海洋、降水、云、天气现象 特点：提供高精度数据，为防灾减灾提供坚实支撑 中国区域降水实况 2021年9月，国家气象信息中心牵头研制的中国区域多源融合实况分析1公里分辨率产品投入业务运行，产品质量逼近国际国内先进水平，为精细刻画实况天气提供了更加精细的数据源。 全国1公里实况产品综合利用地面自动站观测、天气雷达、风云卫星、数值模式等多源数据，应用概率密度匹配、贝叶斯模型平均、多重网格变分、最优插值等多项多源融合分析核心技术，包括中国区域逐小时降水、两米高度气温、两米高度湿度、10米高度风等4个要素14种产品，产品最快时效达到5分钟，质量相比5公里分辨率产品，大幅度提升了针对复杂地形、冬季降水以及极值的刻画能力，为我国防灾减灾提供更加及时、精细、精准的实况数据支撑。 局地实况——灵活配置，精益求精 分辨率：100米、10分钟 内容：降水、云、气温、湿度、风、天气现象等 特点：聚焦重大活动，提供精益求精的实况保障 局地气温实况 局地实况，主要应用于重大活动等特殊气象保障领域。 面向冬奥会的极高要求，国家气象信息中心技术团队不断攻关突破核心技术，建成局地实况分析实时系统，实时生成10分钟分辨率的降水、气温、湿度、风速、能见度和总云量等一系列冬奥赛区百米级实况产品。 这套系统并非“一次性”，可以根据用途，灵活转移。它能将实况分析的“能量”聚焦于特定局地，产出100米、10分钟级别的实况产品。 在十四运会气象服务保障中，便是基于已有的局地百米级实况分析技术，实现了全运会百米级实况分析模块建设与集成。 在将来的各项重大活动中，百米级局地实况产品的身影，必将频繁出现。 服务应用篇 气象实况应用全面开花 作为从“零时刻”到日、月、季、年无缝隙预报业务的重要组成部分，气象实况业务体系在研发、建设和完善的过程中，已经在各级各类业务中得到全面应用，为“监测精密、预报精准、服务精细”提供有力支撑。 01 监测精密：筑牢防灾减灾第一道防线 2021年7月，河南出现历史罕见暴雨，牵动了全国人民的心。什么样的降水，引发如此严重的灾情？人们迫切需要一个答案。 高时效、高时空分辨率的实况产品，是最好的作答者。逐10分钟滚动更新的河南省小时降水实况图形产品迅速出炉，降水中心区域不寻常的颜色分层令人触目惊心，直观地展现了降水过程的极端性，也为前线气象保障提供了重大支持。 在筑牢防灾减灾第一道防线过程中，实况产品能够充分发挥时效性强、分辨率高的优点，实时监测暴雨、台风、高温、寒潮等极端灾害性天气动向。今年冬季已经历4场寒潮，实况产品通过降水量、降水相态、气温变化、积雪、极大风等数据，全方位精准再现了天气演变特征。 在天津 高分辨率实况产品应用于面雨量监测，有效补充海河流域山区雨量站分布稀疏的不足。 在内蒙古 早在2013年，实况产品就已经应用于抗旱工作。“通过实况，我们可以动态直观地看到干旱发生、发展的变化过程，为1600多万内蒙古农牧民提供服务。”内蒙古自治区生态与农业气象中心主任李云鹏认为，实况产品显著提升了干旱监测的精细化程度，很好地解决了内蒙古土壤湿度站点稀疏带来的不确定性问题。 02 预报精准：提供智能网格预报基础支撑 网格化的实况，与网格化的预报，可谓“天生一对”，彼此成就。如今，全球及中国区域实况产品已成为国家级0-30天无缝隙智能网格预报的必备基础。 目前，实况产品作为背景场或预报模型目标场，进一步提升了网格预报的精细化程度和准确率，在成就智能网格预报方面发挥了重要作用，其中1公里分辨率的实况产品，在分钟级滚动更新的降水预报中提供了有效支撑。 中国区域降水实况产品成为全国早间会商实况回顾指定数据、降水实况产品应用于智能网格分钟级降水滚动预报订正、全球表面实况产品应用于全球客观天气预报和全球同化预报系统陆面模式……目前，实况产品已经与国家级和各省级预报平台深度融合，为预报员更好地分析评估客观预报结果，提供了有力支撑。 “在观测资料稀疏的海洋和复杂地形区域，实况产品作用尤为明显。”国家气象中心全球客观天气预报系统研发技术人员赵瑞霞说。 今年11月，在第二届智能预报技术方法交流大赛上，来自全国各地的选手同场竞技，展现了预报技术的发展潜力。作为检验真值登场的实况产品，更是得到了全体参赛队伍的认可。 03 服务精细：推动气象服务触角细致入微 开车上路，打开导航，所经路段天气状况一目了然——在自驾出行特别是长途出行中，传统的预报信息局限性明显，而这种基于行程提供的气象导航，则能将预报服务具体到行经的每一段路程。这一产品，就基于气象实况产品的支撑。 目前，实况产品在气象、环境、生态、航空、公共卫生、交通、电力等20个行业中均得以很好应用。 航天领域 “神舟”十三号发射对地面及浅层与高层风场条件要求苛刻，利用高分辨率实况分析产品，有效解决了高空风场资料缺失问题，为发射窗口期提供从星箭组合体的垂直转运，到火箭燃料加注，再到载人飞船发射的全流程气象服务保障提供精准支撑。 生态领域 省级气象部门利用实况产品与气候适宜度和关键气象因子相结合的方法，形成小麦精细化农业气候区划图。 公共卫生领域 近地面气温、湿度、风、表面气压、辐射、降水等实况产品，被应用于中山大学公共卫生学院环境流行病学研究。 气象领域 实况产品接入中国气象局官方决策手机服务客户端，为重大活动等气象保障提供更为丰富多元的决策信息参考。
